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土工格室加固粗粒土力学特性探讨

文章来源:土工格栅厂家   发布时间:2019-08-24 14:46:40   点击数:   【
随着土工格室应用的推广,土木工程领域逐渐开展了关于土工格室加固土体力学特性的研究,当前关于三轴压缩验证加固土体力学特性的研究还相对较少,一般是采用小型三轴压缩试验来研究独立土工格室加固土体的力学特性。通过常规三轴压缩试验,可以定量分析土工格室加固粗粒土的静力变形特点和强度特性,展现土工格室的破坏情况。
 
一、试验过程
(一)试验材料和设备
三轴压缩试验需要用到的材料有普通粗粒土和土工格室,粗粒土取自某工程项目料场,形状为棱角状,平均粒径为8.74mm,土工格室由山东德州天富工程材料有限公司生产,片材厚度为1.1mm,片材拉伸强度为24.13MPa,峰值强度对应应变为13.01%,焊接抗拉强度为100N/cm[1]。
(二)试验方案
第一步是控制干密度。在实际加固作业中,需要土工格室填料土颗粒大小均匀,最大粒径不得超过5cm,为了保证本次试验所选粗粒土能够满足试验粒径需求,客观反应实际作业中土工格室加固粗粒土的力学特性,本文最终确定最终控制干密度为1.8g/cm,从而确保压实度K=90%[2]。第二步是布筋方式。控制干密度确定完毕后需要选择布筋方式,本试验中土工格室加固粗粒土的具体加筋层数需要参考二维加筋研究中的布筋方式,采用三层对称加固方式,底层及顶层土工格室距离中间层地距离约为20cm,中间层为试样。第三步是试验围压。当前土工格室挡土墙的最大高度为24m,一般是在20m高度或深度内应用,本次试验的一级围压为200kPa,依次选取较小围压,压力差值相等。第四步是确定加载方式。考虑到影响工程施工的工作条件、涂料性质等因素,本试验选择固结排水剪力控加载方式。
(三)制备试样
试验方案确定后下一步就是制备试样,本试验所选取的试样制备方法为分层填料成型法,每一层都需要按照上文确定的最终控制干密度合理称重,并将所选填料捣实均匀,具体操作方法为:将每层干燥状态下的粗粒土搅拌均匀后加入适量的水,将二次搅拌均匀的粗粒土装入模筒中,捣实后在试样中通入二氧化碳,以提高试样气体溶解度,随后通入无气水,待饱和度达到99%之后施加围压,固结排水[3]。为了完成土工格室加固粗粒土变形及破坏研究,在土工格室铺设之前需在片材外部做标记,将片材编号,内部标记线距离为150mm,外部标记线距离为310mm。加筋试样中采用简易工具辅助完成土工格室张拉及铺设,铺设中需确保土工格室各层片材走向与水平方向保持一致。

二、试验结果分析
(一)试样破坏结果
未加固试样破坏后中部有明显鼓起,试样两端受端部约束的影响也发生了不同程度的鼓包现象。经土工格室加固的试样与加筋前相比鼓包程度远远小于未加固试样,而且鼓包面积也较小,在布置格式的部位存在明显的约束带,两端鼓包现象不明显。这一现象表明土工格室会对内部填充粗粒土产生直接约束作用,并对周围粗粒土产生间接约束作用[4]。将粗粒土填充进土工格室后,土工格室片材与粗粒土的模量与强度差异较大,导致两者在承受较大荷载后产生不协调的变形,两者之间的相互作用形成大刚度复合结构体,因此在加固后可在结构体部位看到约束带,表明结构体的强度要大于周围粗粒土强度。结构体与周围粗粒土的结合使粗粒土颗粒间的摩擦阻力增大,进而对周围粗粒土产生间接约束作用,最终形成较小的鼓包,鼓包范围也有所减小。
(二)土工格室破坏结果
土工格室在完成粗粒土加筋试验后,土工格室各层的破坏状况相似,片材焊接处的剥离是最主要的变形部位,土工格室两端不存在剥离情况,中间层片材连接部位出现半剥离状态。土工格室不仅在片材焊接部位存在剥离现象,而且还存在塑性延伸现象,虽然顶层与底层没有发生剥离现象,但是存在塑性延伸现象,比较发现土工格室中间层片材的延伸率最大,而且与围压变化呈正相关[5]。土工格室片材焊接部位发生的剥离及塑性延伸表明土工格室的破坏形式并不是单一的,而是同时出现两种甚至以上的变形表现,当围压变化时,土工格室的剥离及塑性延伸均出现在中间层,表明土工格室各层的受力并不是均匀的,中间层的受力最大,两端的受力最小,除了不同层之间受力不同外,不同片材之间的受力也不相同。可见,土工格室的片材焊接部位是最容易出现破坏变形的部位,也是结构体中最薄弱的环节,在试验中应当谨慎选择,并根据具体工作条件确定片材强度。
(三)应力应变关系特性分析
粗粒土的结构特性决定其力学性质同样具有复杂性,土体力学性质也受到应力路径、试验条件和加载方式等诸多因素的影响。虽然土体的本构模型种类较多,但是还没有一个模型能够全面描述土工格室加固粗粒土的力学性状,已有的研究已经表明粗粒土的力学性状之间并不是一一对应的关系,而是多因素之间的对应关系。根据固结排水剪三轴试验可分析土工格室加固后粗粒土试样的应力应变关系,试验结果表明不论是否加固,围压的影响都是最大的,试样的初始阶段应力应变与未加固试样相比无明显变化,表明初始阶段土工格室加固对强度的影响较小,随着轴向应变的逐渐增大,土工格室加固试样的应力应变始终大于未加固试样,表明随着应变的增大土工格室对强度的影响也逐渐增大。为更加深入的了解土工格室加固粗粒土强度的影响作用,需计算试样加固前后相同应变值处的应力差,并绘制会应力差与轴向应变之间的变化曲线。结果发现,当轴向应变小于5%时,土工格室的加固作用随轴向应变的增大而不断增大,当轴向应变增加到一定程度也就是超过5%时,加固作用不再随轴向应变的变化而变化,而是稳定在一个相对稳定的水平。
 
三轴试验结果表明土工格室在加固粗粒土时,通常会在片材焊接部位发生剥离和塑性延伸,两者并不是相互独立的关系,在试验初始阶段,土工格室加固作用并不明显,围压相同时加固粗粒土与未加固粗粒土的应力应变几乎相同,其作用强度随轴向应变的增加逐渐增大随后趋于稳定。鉴于试验条件的限制,本次试验研究深度有限,由于土工格室加固粗粒土的作用机制异常复杂,还需在土工格室片材及相关加筋试验上深入研究。

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